21912

Определение положения точек на поверхности Земли. Координатные данные. Взаимосвязи между координатными моделями. Определение положения точек на поверхности Земли

Лекция

География, геология и геодезия

Определение положения точек на поверхности Земли Координатные данные составляющие один из основных классов геоинформационных данных используют для указания местоположения на земной поверхности Поверхность Земли имеет сложную форму. Эта информация образует класс координатных данных ГИС являющийся обязательной характеристикой геообъектов. Будучи частью классом общей модели данных в ГИС координатные данные определяют класс координатных моделей Основные типы координатных моделей Класс координатных моделей можно разбить на типы. При этом...

Русский

2013-08-04

71 KB

28 чел.

Лекция № 5

Тема: Определение положения точек на поверхности Земли. Координатные данные. Взаимосвязи между координатными моделями.

Определение положения точек на поверхности Земли

Координатные данные, составляющие один из основных классов геоинформационных данных, используют для указания местоположения на земной поверхности

Поверхность Земли имеет сложную форму. При общей площади ее поверхности 5 1 0 млн. км2 7 1 % приходится на дно морей и океанов и 29 % - на сушу. Это дает основание считать, что земная поверхность состоит из двух резко отличающихся морфологических элементов - материков и океанов.

С учетом того что поверхность вод Мирового океана занимает почти 3/4 поверхности Земли, за общую фигуру земли принимают тело, ограниченное поверхностью воды океанов. Такая поверхность называется уровненной. Потенциал силы тяжести на ней имеет одно и то же значение. Другими словами, эта поверхность везде перпендикулярна отвесной линии, т.е. везде горизонтальна.

Можно построить семейство горизонтальных поверхностей. Поверхность, которая совпадает с поверхностью Мирового океана в состоянии покоя и равновесия и продолжена под материками, образует фигуру, принятую в геодезии за общую фигуру Земли, называемую геоид.

С помощью методов дистанционного зондирования удалось установить, что Земля имеет грушевидную форму. В качестве математической модели Земли применяют эллипсоид, который в геодезии принято называть референц-эллипсоидом. В СССР до 1946 г. использовался эллипсоид, полученный Ф. Бесселем. В 1946 г. для обязательного использования был введен эллипсоид, вычисленный в ЦНИИГАиК в 1940 г. под руководством Ф.Н. Красовского причастии А.А. Изотова.

Для отображения положения точек поверхности на плоскости используют различные математические модели поверхности и различные системы координат. На практике применяют два основных типа координат: плоские и сферические. Реже применяют криволинейные или полярные.

Выбор системы координат зависит от размеров исследуемых участков поверхности, как следствие, от влияния кривизны Земли. При изображении небольших участков Земли часть уровненной поверхности можно принять за плоскость. Такими участками будут участки до 20 км длиной и площадью до 400 км2.

В этих случаях применимы плоские координаты. Плоские декартовы координаты определяются заданием двух осей. При этом обычно координата X указывает на восток, У - на север. Задают масштабные отрезки. Упорядоченная пара (X, У) определит положение точки в заданной системе.

Плоские полярные координаты используют расстояние от начала координат (  ) и угол (  ) от фиксированного направления. Направление обычно фиксируется на север, а угол отсчитывается по часовой стрелке от него. Полярные координаты удобны при проведении измерений от какой-либо заданной точки, например когда используются данные таких источников, как радарные съемки.

При необходимости учета кривизны Земли применяют пространственные системы координат.

Для определения географической системы координат (разновидности сферической системы) введем следующие понятия:

плоскость земного экватора - проходит через центр Земли перпендикулярно к оси вращения;

плоскость географического (астрономического) меридиана - проходит через ось вращения Земли и отвесную линию в точке земной поверхности;

меридиан - линия пересечения плоскостей географических меридианов с земной поверхностью;

параллель - линия, образованная пересечением плоскости, параллельной плоскости земного экватора, с поверхностью Земли.

Положение точки определяется широтой (  ) и долготой (  ).

Широта - это угол между точкой и экватором вдоль меридиана '. Она изменяется от -90 ° (южный полюс) до +90 ° (северный полюс).

Долгота - это угол в плоскости экватора между меридианом точки и главным (нулевым) меридианом, проходящим через Гринвич (Англия). Она изменяется от -180 ° (западная долгота) до +180 ° (восточная долгота).

Основными понятиями этой системы координат являются:

меридиан - линия постоянной долготы;

параллель - линия постоянной широты;

большой круг - воображаемый круг на земной поверхности, образованный плоскостью, проходящей через центр земного шара;

малый круг - воображаемый круг на земной поверхности, образованный плоскостью, не проходящей через центр земного шара.

Рассмотренные системы координат носят в большей степени теоретический характер. На практике используют более широкий набор систем координат: геоцентрические, топоцентрические, полярные геодезические, эллиптические и др.

Координатные данные

Геометрически информация, содержащаяся на карте, может быть определена как совокупность наборов точек, линий, контуров и площадей, имеющих метрические значения, отражающие трехмерную реальность. Эта информация образует класс координатных данных ГИС, являющийся обязательной характеристикой геообъектов. Будучи частью (классом) общей модели данных в ГИС, координатные данные определяют класс координатных моделей

Основные типы координатных моделей

Класс координатных моделей можно разбить на типы. При этом следует учесть, что попытка включить в описание широкий набор групп приводит к усложнению базы данных и процессов обработки. В ГИС используют меньшее число атомарных моделей по сравнению с САПР.

В ГИС, как и в САПР, применяют набор базовых геометрических типов моделей, из которых создают все остальные, более сложные. С учетом предметной области карт ограничиваются лишь описанием таких типов (структур географических данных), которые относятся к представлению топографии и к тематическому упорядочению.

В ГИС включают следующие основные типы координатных данных (рис. 1):

точка (узлы, вершины);

линия незамкнутая;

контур (замкнутая линия);

полигон (ареал, район) - группы примыкающих друг к другу замкнутых участков.

В некоторых системах в описание основных типов моделей включают понятие пространственная сеть, которая является развитием типа данных район. Контуры и линии часто объединяют общим термином - "линейные объекты". Таким образом, в разных ГИС число основных типов координатных моделей меняется от трех до пяти. Проводя сравнение с технологиями САПР, отметим, что основные типы координатных данных являются аналогами атомарных моделей в САПР, которые называют примитивами.

Приведенные выше понятия носят концептуальный характер. На практике для построения реальных объектов используют большее число составных координатных моделей. В разных ГИС они незначительно отличаются, поэтому рассмотрим в качестве примера набор данных в системе ГеоДраф:

точка - пара координат X, У;

отрезок - линия, соединяющая две точки;

вершина (вертекс) - начальная или конечная точка отрезка;

дуга (линия) - упорядоченный набор связных отрезков (или вершин);

покрытие - набор файлов, фиксирующий в виде цифровых записей пространственные объекты (точки, дуги, полигоны) и структуру отношений между ними;

Рис. 1. Основные типы координатных данных

пустое покрытие - покрытие, в котором отсутствуют пространственные объекты;

слой - покрытие, рассматриваемое в контексте его содержательной определенности (растительность, рельеф, административное деление и т.п.) или его статуса в среде редактора (активный слой, пассивный слой);

внутренний идентификатор пространственного объекта - целое число, являющееся служебным идентификатором системы (уникальное для каждого объекта данного покрытия и назначаемое автоматически в процессе работы редактора). Может изменяться системой в процессе работы;

пользовательский идентификатор (внутренний ключ) пространственного объекта - целое число, служащее для связи объектов цифровой карты с базой (таблицами) тематических данных. Назначается и изменяется только пользователем.

Висячая дуга

Висячий узел

Замкнутая дуга

Нормальный узел

Рис. 2. Основные элементы векторных данных ГИС

На рис. 2 показаны основные из рассмотренных элементы векторных данных ГИС.

узел - начальная или конечная вершина дуги;

висячий узел - узел, принадлежащий только одной дуге, у которой начальная и конечная вершины не совпадают;

псевдоузел - узел, принадлежащий только двум дугам либо одной замкнутой дуге, у которой начальная и конечная вершины совпадают. Исключением является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней (такой узел является нормальным);

нормальный узел - узел, принадлежащий трем (и более) дугам. Нормальным также является узел, принадлежащий двум дугам, одна из которых самозамкнута в этом узле, а другая примыкает к ней;

висячая дуга - дуга, имеющая висячий узел;

замкнутая дуга - дуга, у которой совпадают начальная и конечная
вершины (у такой дуги имеется только один узел);

полигон - единичная область, ограниченная (находящаяся внутри) замкнутой дугой или упорядоченным набором связных дуг, которые образуют замкнутый контур;

Точечные объекты. Простейший тип пространственного объекта задают точечные данные, к которым относятся не только точки, но и все точечные условные знаки. Выбор объектов, представляемых в виде точек, зависит от масштаба карты или исследования. Например, на крупномасштабной карте точками показываются отдельные строения, а на мелкомасштабной карте - города.

Особенность точечных объектов состоит в том, что они хранятся и в виде графических файлов, как другие пространственные объекты, и в виде таблиц, как атрибуты. Последнее обусловлено тем, что координаты каждой точки описывают как два дополнительных атрибута. В силу этого информацию о наборе точек можно представить в виде развернутой таблицы или таблицы, содержащей помимо координат наборы атрибутов (идентификационные номера, тематические характеристики и т.д.). В таких таблицах каждая строка соответствует точке - в ней собрана вся информация о данной точке. Каждый столбец - это признак, содержащий типизированные данные: координаты или атрибуты. Каждая точка независима от всех остальных точек, представленных отдельными строками.

Линейные объекты. Они широко применяются для описания сетей, для которых в отличие от точечных объектов характерно присутствие топологических признаков.

Любая сеть состоит из узлов (вершин) - соединений, концов обособленных линий и звеньев (дуг) - цепей в модели базы данных.

Для каждого узла существует специальная характеристика, называемая валентностью, определяемая количеством звеньев в нем. Концы обособленных линий одновалентны. Для уличных сетей (пересечения типа "крест") наиболее характерны четырехвалентные узлы. В гидрологии чаще всего встречаются трехвалентные узлы.

В древовидной сети (Е-дерево) каждая пара узлов имеет лишь одно соединение, не допускаются петли и замкнутые контуры, большая часть речных сетей имеет древовидную структуру.

Линейные объекты, как и точечные, имеют свои атрибуты, причем разные для дуг (звеньев) и узлов. Атрибутами для дуг являются:

направление движения, интенсивность движения, протяженность;

количество полос, время пути вдоль звена;

диаметр трубы, направление движения газа;

напряжение в ЛЭП, высота опор;

количество путей, уклон, ширина тоннеля, грузоподъемность и др. Атрибуты для узла:

наличие перехода, названия пересекающихся улиц;

наличие автоматического регулирования перекрестков;

тип (ручной или автоматический) перевода стрелок;

характеристики трансформаторов ЛЭП;

мощность компрессора.

Некоторые атрибуты (например, названия пересекающихся улиц) служат для связи одного типа объектов с другими (узлы со звеньями), другие характеризуют только участки звеньев сети.

Во многих ГИС для включения дополнительных атрибутов в сеть необходимо разбиение существующих звеньев и создание новых узлов. Например, звено улицы, часть которой ремонтируется, разрывается на месте начального и конечного участка ремонта, его атрибуты присваиваются новому (двухвалентному) узлу. Другой пример: для отрезка дороги, проходящей через мост, создаются новое звено и два новых узла. Такой подход может привести к появлению недопустимо большого числа звеньев и двухвалентных узлов, поэтому он имеет ограничение, определяемое ресурсами конкретной ГИС.

Сети часто используют как системы линейной адресации. В этих случаях точки размещают в сети по данным о номере звена и о расстоянии от его начала. Это более удобно, чем использовать X, У координаты точки из таблицы, поскольку такие данные непосредственно указывают положение точки в сети.

Данный подход определяет метод присвоения атрибутов отдельным участкам звеньев. При этом линейные объекты (здания, тоннели) хранятся в отдельных таблицах, а с сетью они увязаны путем указания номера звена и расстояния от его начала.

Для точечных объектов необходимо указать одно значение координат, для линейных - два (для начальной и конечной точек). Это позволяет при необходимости рассчитать X, У координаты этих объектов и исключает необходимость дробить звенья и вводить двухвалентные узлы.

Ареалы. В настоящее время в ГИС может быть представлено несколько типов ареалов: зоны в приложении к окружающей среде или природным ресурсам, социально-экономические зоны, данные об угодьях и др.

Для ареальных объектов границы могут определяться свойством или явлением, а также независимо от явления (затем перечисляются значения атрибутов). Кроме того, границы могут устанавливаться искусственно, например для микрорайонов.

Взаимосвязи между координатными моделями

В общем случае пространственные данные могут иметь большое число разнообразных связей. Эти связи играют важную роль для пространственного анализа данных. Например, связь типа "содержится в" позволяет соотносить объекты с их окружением, связь "пересекает" между двумя линиями важна для анализа маршрутов в сетях.

Взаимосвязи могут существовать между объектами одного типа или разных типов.

Исходя из критерия построения моделей можно выделить три основных типа взаимосвязей между координатными объектами.

Первый тип - взаимосвязи для построения сложных объектов из простых элементов, например, взаимосвязи между дугой и упорядоченным набором определяющих ее вершин, взаимосвязи между полигоном и упорядоченным набором определяющих его линий. При этом используют процедуры агрегации и обобщения

Второй тип-взаимосвязи, которые можно вычислить по координатам объектов. Например, координаты точки пересечения двух линий определяют взаимосвязь типа "скрещивается" и наличие четырехвалентного узла. Табличные координаты отдельной точки и данные о границах полигонов позволяют найти полигон, включающий данную точку. Этим определяется взаимосвязь типа "содержится в". Используя данные о границах полигонов, можно выяснить, перекрываются ли полигоны, и тем самым установить взаимосвязь типа "перекрывает". Другими словами, второй тип связи содержится в атрибутивных данных в неявном виде.

Третий тип - "интеллектуальный". Эти взаимосвязи нельзя вычислить по координатам, они должны получать специальное описание и семантику при вводе данных. Например, можно вычислить пересечение двух линий, но, если этими линиями являются автодороги, нельзя сказать, пересекаются они или в этом месте находится развязка автодорог. Следовательно, для решения дополнительных задач необходима информация о связях. Учет связей происходит при кодировании данных, т.е. в подсистемах семантического моделирования.

PAGE  5


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

4131. Изучение алгоритма цифровой сверки 98 KB
  Изучение алгоритма цифровой сверки Целью работы является изучение алгоритмов цифровой свертки изучение функций MatLab, позволяющих автоматизировать процесс вычисления цифровой свертки получение навыков расчета низкочастотных фильтров с использо...
4132. Визначення концентрації вільних носіїв заряду в напівпровіднику 112.5 KB
  Визначення концентрації вільних носіїв заряду в напівпровіднику Мета роботи. Визначити питому електропровідність та концентрацію вільних носіїв заряду в напівпровідниковому монокристалі з електронною провідністю. Теоретичні відомості. В напівпров...
4133. Вивчення вільних затухаючих коливань математичного маятника 138.5 KB
  Вивчення вільних затухаючих коливань математичного маятника Мета роботи. Вивчити затухаючі коливання математичного маятника i визначити характеристики затухаючих коливань (період затухаючих коливань, логарифмічний декремент затухання, коефіцієнт зат...
4134. Типи зображень по глибині кольору 532 KB
  Типи зображень по глибині кольору Установка глибини кольору необхідна на початку роботи із зображенням і визначає його тип і кількість можливих відтінків тони (кольори). Розглянемо можливості перенесення кольорів і поняття глибини кольору, використо...
4135. Спусковое регенеративное устройство триггер 502 KB
  Триггеры Триггер — это спусковое регенеративное устройство с двумя или более устойчивыми состояниями, переключаемыми в соответствии с сигналом, поступающим на информационные входы. Существует большое количество разновидностей триггеров, к...
4136. Шифраторы и дешифраторы 375.5 KB
  Шифраторы и дешифраторы Шифратор – специфический преобразователь кодов, - устройство, обеспечивающее выдачу определенного кода в ответ на возбуждение одного из входов. Шифраторы реализуют преобразование унитарного кода (другое название – к...
4137. Дослідження роботи служби www 107.91 KB
  Дослідження роботи служби www 1.Мета роботи Дослідити різноманітні види пошуку та пошукових систем, які використовуються в Internet Хід роботи Досить вказати пошуковий запит і клацнути мишкою на відповідній кнопці, на екрані буде відобра...
4138. Санітарний паспорт кабінету інформатики та інформаційно-комунікаційних технологій 43.5 KB
  Санітарний паспорт кабінету інформатики та інформаційно-комунікаційних технологій Паспортна частина Адреса: Смільчинецький навчально-виховний комплекс Черкаська обл. Лисянський район, с.Смільченці Побудована: по типовому проекту Розташ...
4139. Вивчення закону Ома 110.5 KB
  Вивчення закону Ома Мета роботи. Встановити залежність сили струм від напруги у зразку з монокристалу визначеної речовини та визначити його опір, питому електропровідність та концентрацію носіїв струму. Теоретичні відомості. Електричним струмом пров...